李強(qiáng)，郭興，王春山

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071001；2.保定市急救中心 急救外科，河北 保定 071051

基于ZigBee PRO的低功耗遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

李強(qiáng)1，郭興2，王春山1

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071001；2.保定市急救中心 急救外科，河北 保定 071051

本文研究并設(shè)計(jì)了基于ZigBee PRO和3G技術(shù)的低功耗遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)由含ZigBee PRO節(jié)點(diǎn)的便攜式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備、ZigBee PRO-3G網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)組成。便攜式監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)采集的生命體征數(shù)據(jù)，如血壓、脈搏等，經(jīng)ZigBee PRO無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過集中器的3G模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)；遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并及時(shí)反饋給醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行分析處理。本系統(tǒng)的應(yīng)用可以使被監(jiān)護(hù)人有更多的自由活動(dòng)空間，可以使患者在家里或社區(qū)得到有效地遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷和監(jiān)護(hù)。

遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)； ZigBee PRO；3G技術(shù)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高，先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備也不斷地發(fā)展并應(yīng)用到臨床診斷中，使我國醫(yī)療技術(shù)水平有了很大的提高。目前，醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在臨床中獲得廣泛的應(yīng)用，利用傳感器采集特定的生理參數(shù)，再通過線纜將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，這是一種固定的醫(yī)療監(jiān)測方式，但由于傳感器線纜長度的限制，需要病人在檢測設(shè)備旁邊，限制了病人的行動(dòng)自由，較長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集還會(huì)增加病人心理壓力，造成焦躁不安的緊張情緒，進(jìn)而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)異常造成假象，影響醫(yī)生對(duì)病人身體狀況和病情的判斷。如何擺脫傳感器線纜長度的束縛，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、連續(xù)、長時(shí)間的監(jiān)測病人生理體征等參數(shù)，對(duì)于提高醫(yī)療技術(shù)水平，加快病情診斷和康復(fù)都具有重要的作用[1]。近些年來，新興的ZigBee和3G技術(shù)，為遠(yuǎn)程無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)提供了一種新的技術(shù)手段。本文提出了一種基于ZigBee和3G技術(shù)的嵌入式ZigBee PRO的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，采用生理傳感器數(shù)據(jù)檢測與遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)姆椒?，可?duì)在家庭和社區(qū)的被監(jiān)護(hù)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控，使被監(jiān)護(hù)對(duì)象能夠擁有較多的自由活動(dòng)空間，在獲得較準(zhǔn)確的測量指標(biāo)的同時(shí)，也得到了更有效的監(jiān)護(hù)。

1 Zigbee PRO和3G網(wǎng)絡(luò)簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本[2]。主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備。從2004年2月的第1個(gè)版本ZigBee 2004，到2007年開發(fā)完成的ZigBee 2007（ZigBee PRO），該協(xié)議不斷完善和不斷改進(jìn)，在網(wǎng)絡(luò)可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量、低功耗、抗干擾等多個(gè)方面，技術(shù)日趨完善。與之前版本相比較，ZigBee PRO進(jìn)行了如下技術(shù)上的完善和改進(jìn)[3]：① ZigBee PRO是工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)協(xié)議棧。② ZigBee PRO適合于大型網(wǎng)絡(luò)（超過1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）。③ ZigBee PRO改進(jìn)了路由方式，使路由更加可靠，路由表格更加節(jié)省內(nèi)存[4]。④ ZigBee PRO增加了高級(jí)跳頻技術(shù)，具有超強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力。⑤ ZigBee PRO可以分包傳輸長數(shù)據(jù)包。⑥ ZigBee PRO提供商業(yè)級(jí)的加密通訊[5]。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee PRO的低功耗遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)包括3個(gè)組成部分（圖1）： ZigBee PRO節(jié)點(diǎn)的便攜式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備，ZigBee PRO-3G網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)。通過在便攜式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的ZigBee PRO 無線傳感器節(jié)點(diǎn)、多級(jí)路由節(jié)點(diǎn)以及集中器構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)化傳輸；集中器整合ZigBee PRO-3G網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)；遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并及時(shí)反饋給醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行分析處理。

圖1 基于ZigBee PRO的低功耗遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 生命體征傳感器設(shè)計(jì)

本醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)生命體征監(jiān)測包括：跌倒監(jiān)測、心率監(jiān)測、體溫監(jiān)測，且均采用模塊化設(shè)計(jì)。各監(jiān)測模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要將各監(jiān)測模塊從便攜式檢測設(shè)備中添加或移除。

3.1.1 基于3軸加速度傳感器的跌倒監(jiān)測模塊

跌倒監(jiān)測設(shè)備我們選擇ADI公司的ADXL345傳感器，ADXL345是基于iMEMS技術(shù)的3軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍，最高13bit分辨率，固定的4mg/LSB靈敏度，40～145μA超低功耗，標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，32級(jí)FIFO存儲(chǔ)，以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合用于跌倒檢測器應(yīng)用的加速度傳感器。其管腳結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 ADXL345管腳示意圖

對(duì)跌倒檢測原理的研究，主要是找到人體在跌倒過程中的加速度變化特征。不同運(yùn)動(dòng)過程對(duì)應(yīng)的加速度曲線也是不同的，對(duì)于跌倒過程，即速度變化，本研究主要根據(jù)跌倒過程中有可能發(fā)生的4種狀態(tài)特征進(jìn)行分析，這4種特征主要包括：失重、撞擊、靜止、翻轉(zhuǎn)。將這4種狀態(tài)的判斷結(jié)合在一起，通過跌倒檢測算法進(jìn)行分析判斷，并實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

3.1.2 心率監(jiān)測模塊

心率監(jiān)測模塊主要使用透過型的脈搏傳感器實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，由紅外發(fā)光二極管、光敏二極管和圓筒組成（圖3）。其原理是通過使用對(duì)血流敏感的紅外發(fā)光二極管做光源，與之對(duì)應(yīng)的光敏二極管，在一個(gè)圓筒壁上挖2個(gè)小孔(兩個(gè)孔與圓筒截面的圓心在一條直線上)，一側(cè)放紅外發(fā)光二極管，另一側(cè)放光敏二極管，當(dāng)手指放入圓筒時(shí)，由于心臟壓送血液的不同手指上通過的血流量也不同，其透光率也不同。光敏二極管對(duì)不同的透光率會(huì)有敏感的反映，通過的電流會(huì)隨透光率而變化，把電流的變化再轉(zhuǎn)換成電壓的變化，然后進(jìn)行測量。

圖3 脈搏傳感器示意圖

3.1.3 體溫監(jiān)測模塊

體溫監(jiān)測通過高精度熱敏電阻和便攜式檢測設(shè)備的ZigBee PRO芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)。通過分析計(jì)算熱敏電阻的阻值變化，再利用熱敏電阻R-T關(guān)系表及分段線性化公式得到相應(yīng)的人體溫度。

3.2 無線定位與無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

3.2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸

（1）ZigBee數(shù)據(jù)采集部分，其功能主要是通過無線傳感器將被監(jiān)護(hù)人員的生命體征參數(shù)傳輸?shù)綗o線傳感器的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)功能分為全功能設(shè)備和簡化功能設(shè)備2類。又根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用，定義了3種設(shè)備，即協(xié)調(diào)器(全功能設(shè)備)、路由器(全功能設(shè)備)、節(jié)點(diǎn)(全功能設(shè)備或簡化功能設(shè)備)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，路由器主要用于路由消息數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可接傳感器或其他終端設(shè)備獲取外部數(shù)據(jù)。上述3種設(shè)備可以靈活地構(gòu)成3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]（圖4）：① 星型網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中含1個(gè)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；② 樹狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)協(xié)調(diào)器若干路由器、若干節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以延樹狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由；③ 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)協(xié)調(diào)器、若干路由器、若干節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑傳輸[7]。

圖 4 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)配合3G技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，路由器和普通節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線定位和傳感器數(shù)據(jù)采集。

（2）3G數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用基于3G的無線通信技術(shù)，將ZigBee網(wǎng)關(guān)所收集的生命體征信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)端的醫(yī)療監(jiān)護(hù)平臺(tái)（圖5）。

圖 5 3G數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.2.2 無線定位

通過被監(jiān)護(hù)人員所佩戴的無線傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控被監(jiān)護(hù)人員的活動(dòng)軌跡，了解當(dāng)出現(xiàn)生命體征異常情況時(shí)的相關(guān)位置，對(duì)于幫助判斷、分析被監(jiān)護(hù)人員的狀態(tài)是至關(guān)重要的。

本無線傳感器采用TI的CC2530作為ZigBee處理芯片，其定位過程：① 首先由網(wǎng)關(guān)對(duì)參考節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播配置。② 一定時(shí)延后未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置請(qǐng)求廣播。③ 參考節(jié)點(diǎn)收到廣播包后判斷是否已有該未知節(jié)點(diǎn)，若沒有則添加到節(jié)點(diǎn)列表，并做出回應(yīng)[8]。④ 未知節(jié)點(diǎn)接收到回應(yīng)包后進(jìn)行單播的位置請(qǐng)求。⑤ 參考節(jié)點(diǎn)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行單播的位置回應(yīng)。⑥ 在收集到足夠多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置信息（3～8條）后，將數(shù)據(jù)傳輸給定位引擎進(jìn)行定位。⑦ 計(jì)算位置偏移量，進(jìn)行修正[9-10]，完成定位。

無線網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)的定位流程，見圖6。

圖6 無線網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)與空位節(jié)點(diǎn)的定位流程圖

部分程序?qū)崿F(xiàn)如下：

4 測試結(jié)果

本系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行了初步測試，由志愿者佩戴便攜監(jiān)測設(shè)備并對(duì)其體溫進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee PRO-3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)測結(jié)果，見圖7（其中縱坐標(biāo)為采集到的實(shí)時(shí)體溫，橫坐標(biāo)為時(shí)間）。

圖 7 體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)

在測試過程中，每隔30min采集1次便攜監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到的體溫?cái)?shù)據(jù)，共采集5組數(shù)據(jù)，并與通過人體專用體溫測試儀所測試值相比較，見表1，誤差在0.5%以內(nèi)。

表1 體溫監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果比較

5 結(jié)束語

本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee Pro技術(shù)與3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有實(shí)用性、靈活性和可擴(kuò)展性的特點(diǎn)。該技術(shù)的應(yīng)用可以使被監(jiān)護(hù)對(duì)象有更多自由活動(dòng)空間,使其在家里或社區(qū)得到有效地遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷和監(jiān)護(hù)。

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Introduction of Low Power Consumption Remote Medical Monitoring System Based on Embedded ZigBee PRO

LI Qiang1, GUO Xing2, WANG Chun-shan1
1.School of Information Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding Hebei 071001, China; 2.Emergency Surgery Department, Baoding Emergency Center, Baoding Hebei 071051, China

This paper introduces low power consumption remote medical monitoring system based on embedded ZigBee PRO and 3G. The system consists of portable remote medical monitoring devices including ZigBee PRO nodes, ZigBee PRO-3G network and platform of remote medical monitoring system. The vital signs such as blood pressure, pulse rate collected by portable monitoring devices, were transmitted by the ZigBee PRO wireless sensor network and the 3G to the remote medical monitoring system platform; the platform collate the data and feedback to the medical staff for analysis and processing timely. This system can be the sick to have more free space. At the same time the sick get more effective care from the doctor.

remote medical monitoring system; ZigBee PRO; 3G technology

TP393.17；TP212.9

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.007

1674-1633(2012)02-0028-04

2011-08-25

2012-01-09

保定市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（11ZF028）。

本文作者：李強(qiáng)，講師，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究。

作者郵箱：li_gulit486@163.com